某型火炮戰斗車火控系統綜合評估設備①

張 原,王 振,廉令武

(西北工業大學 電子信息學院,西安 710072)

高精度武器在現代戰爭中發揮著越來越重要的作用,高精度制導攻擊型武器可以對各種目標實施精確打擊,是我方目標的重要威脅[1],能有效地對抗高精度制導攻擊型武器,實現對目標的保護是防空系統的重要任務.防空系統可分為遠程防空、中程防空和近程防空三類.火炮戰斗車具有抗干擾能力強、適應性強、火力密集等優點,是近程防空武器系統的重要組成部分,其火控系統的精度會直接影響到近程防空系統的防御性能,所以,對戰斗車火控系統精度進行綜合評估,是評價近程防空武器性能的重要方法[2].

上世紀九十年代,我國就已經開始了火控系統精度評估的相關研究.進入新世紀后,很多學者參與到了火炮瞄準精度評估、火控系統靶試精度評估以及航電武器系統精度評估的工作中[3-6].近年來,有學者根據高炮武器研制需求,給出了高炮武器總體性能評估方案[7];有學者基于節省人力、物力、財力的目的,研究了基于半實物仿真的精度評估相關技術[8];有學者從提高武器系統動態精度角度出發,設計了基于時間序列的動態精度評估方法[9].這些研究工作為解決火控系統精度評估問題提供了思路和方法,但是對試驗調試時如何及時獲取試驗調試中火控系統實時信息以及如何快速有效的處理大量試驗數據以期獲得更加精確的系統精度評估數據缺少相應的研究.本文以集成了火控雷達、光電跟蹤設備、火控解算計算機、武器系統、定位定向設備的某型火炮戰斗車火控系統為例,給出了解決試驗調試時各設備間通信數據量大、實時性要求高、定位故障困難、獲取高精度評估結果困難等問題的精度評估數學模型以及具體的計算方法.

1 需求分析

在火控系統試驗調試階段及時了解戰斗車各設備的工作狀態,及時定位設備故障,對各設備產生的數據進行保存以及回放分析可為系統的試驗調試節約大量的時間;自然友好的可視化頁面,簡單易懂的使用操作可使非軟件開發人員熟練的掌握設備使用方法;對火控系統中火控雷達、光電跟蹤設備測量精度評估以及火控解算計算機解算精度評估、武器隨動系統精度評估可以有效的評估火控系統的整體性能.

根據以上分析,綜合評估設備應具有以下功能:

(1)能實時顯示火控系統各設備的狀態信息、故障信息、測量數據.

(2)能實現對火控系統各設備通信數據的保存、導出、回放.

(3)能對火控雷達和光電跟蹤設備測量目標距離、方位角、高低角測量精度評估.其中光電跟蹤通過激光測距,紅外和電視測量方位角和高低角,對光電跟蹤設備的評估可分為激光測距精度評估、紅外和電視方位角和高低角精度評估(以下統稱光電跟蹤精度評估).

(4)能對火控解算計算機解算方位角和高低角、武器隨動系統的方位角和高低角精度進行評估.

2 數據的錄取與保存

為了及時獲取火控系統各設備通信數據以及精確地對火控系統評估,綜合評估設備需要采集目標的運動狀態真值、戰斗車各設備的測量數據、解算計算機根據測量數據解算出的諸元值以及武器系統狀態值.實際上,目標運動狀態真值通過試驗基地靶機攜帶的GPS 設備獲得,其他數據需要通過綜合評估設備來獲取,為了方便后繼的數據處理,需要對綜合設備獲取的報文附上精確的GPS 時標.戰斗車各設備之間通過交換式以太網采用UDP 無連接傳輸協議進行相互通信,具有數據量大,速度快的特點,各設備發送的報文數據都通過交換機,可將綜合評估設備連接至交換機進行各設備數據的捕獲.綜合評估設備和戰斗車連接框圖可用圖1表示.

圖1 綜合評估設備與火炮連接圖

2.1 數據的錄取與顯示

在戰斗車的以太網中,各設備以幀為單位進行數據的發送和交換,交換機基于MAC 地址對數據幀進行轉發,將綜合評估設備連接至交換機并將其網卡的工作模式設置為混雜模式,即可實現對所需數據包的捕獲.數據包捕獲機制工作在數據鏈路層,一般由最底層針對特定操作系統的包捕獲機制、最高層針對用戶程序的接口和包過濾機制三部分組成[10].底層包捕獲機制通過操作系統的協議棧訪問傳輸的原始數據包,高層針對用戶程序接口使用戶通過簡單的函數調用就能獲得期望數據包,包過濾機制實現特定數據包的獲取.

WinPcap是Windows 平臺上應用廣泛的第三方數據包捕獲機制,然而WinPcap 已經多年無人維護且主要針對Windows XP 之前的版本,已經不適合如今的需求.可選用Npcap 來實現數據包的獲取,Npcap是基于WinPcap的數據包捕獲機制,在WinPcap的基礎上做了諸多改進.

通過設置Npcap 包過濾規則,可以從戰斗車的以太網中獲取期望的UDP 數據包.剝去UDP 數據包首部,得到的是火控系統各設備自定義報文,在自定義報文中,有發送方和接收方的標識,根據報文標識可完成報文的識別,報文識別后,可調用相應的解析顯示函數完成對報文信息的實時解析與顯示.

2.2 數據的存放

在完成報文解析與顯示的同時需要給每個報文頭添加GPS 時標后將報文保存,以便后繼的報文查看和精度分析.戰斗車各設備以相同頻率發送報文,為了快速存儲和保證報文添加GPS 時標的精確度,采用即發即存、按幀存儲、二進制格式保存的方式將報文進行存放.為避免數據幀過長,可選取某單機設備發送的報文為基準報文,將兩個基準報文之間發送的所有報文作為一幀數據,基準報文為數據幀的第一個數據包.

保存報文的文件由文件頭和多個數據幀組成,文件頭有6 個字節,前4 個字節存儲總幀數,后兩個字節分別存儲基準年份和月份.數據幀由幀信息和數據包組成,幀信息中第一個字節存儲該幀是否為正常幀,當有基準報文時為正常1,沒有基準報文幀長度達到3500個字節時為非正常幀.其余字節存儲當前幀號、前一幀字節長度、當前幀數據包總長度等信息,由這些信息可以實現快速定位指定幀.文件存儲格式如圖2所示.

圖2 文件存儲格式

3 雷達和光電精度評估

火控雷達和光電設備探測目標的能力取決于雷達的探測精度,火控雷達和光電設備是火炮戰斗車火控系統重要組成部分,其精度評估是火控系統綜合評估的重要內容.首先對GPS 真值數據預處理,然后經過插值和濾波處理提高真值數據的精度,最后在同一GPS 時標下,對處理好的真值數據和錄取的報文數據進行數據分析和精度統計,獲得火控雷達和光電設備跟蹤精度信息.評估流程如圖3所示.

圖3 火控雷達和光電評估流程

3.1 真值數據坐標變換

真值文件由試驗基地提供,由于不同基地不同設備提供的真值文件格式可能不一樣,為了方便后繼數據的處理,需要將試驗基地提供的以原始大地坐標系(大地經度L,大地緯度B,大地高H)下的真值文件轉換為站心坐標系[11](EUN)最后轉換成以雷達(光電)回轉中心為原點的坐標.

假設一真值點在大地坐標系下坐標為(φ,μ,h)T,則其在空間直角坐標系中坐標(x,y,z)T可以表示為:

其中,a=6 378 137±2 m,為大地坐標系橢球的長半軸;b=6 356 752.3142 m,為大地坐標系橢球的短半軸.

若標定點的大地原始坐標系中的坐標為(φ0,μ0,h0)T,空間直角坐標系中的坐標為(x0,y0,z0)T,則將空間直角坐標系一點(x,y,z)T轉換為以標定點為原點的站心坐標系坐標(e,n,u)T:

其中,

如圖4所示,真值點T在站心坐標系坐標點為(e,n,u)T,戰斗車車身與正北方向夾角為θ,武器托架中心在車身方向偏移量為?x,在車身右側偏移量為?y,在垂直方向的偏移量為?z.在將目標以標定點為中心坐標轉換為以武器托架為中心的坐標時,首先將T的坐標投影到車身方向和車身右側,再加上偏移量.最終得到以武器托架中心為原點的托架坐標(xT,yT,zT)T:

圖4 站心坐標向武器托架中心坐標轉換

最后,根據武器托架中心和雷達(光電)中心的位置關系,將真值數據轉化為以雷達(光電)中心為原點的球坐標系.

3.2 真值數據的插值處理

真值的頻率和錄取的數據頻率不同,導致真值的時標和錄取數據的時標不同,需要將真值時標和錄取數據時標對齊,確保真值和錄取數據都是同一時刻下的數據.由于真值頻率小,時標對齊時需要對真值數據進行擬合.綜合考慮擬合真值精度、占用內存以及處理時間等因素,選用20 點最小二乘法進行二次曲線真值擬合.

假設二次曲線擬合多項式為:

選取某一錄取數據時標為擬合時刻(x0),在真值文件中取擬合時刻前10 個真值數據(x?10,y?10),(x?9,y?9),…,(x?1,y?1),擬合時刻后10 個真值數據(x1,y1),(x2,y2),…,(x10,y10),計算這20 個點到式(4)距離之和R:

對上式求ak(k=0,1,2)的偏導數并整理,得:

其中,

則通過A=X?1Y可求得擬合曲線f(x)=a0+a1x+a2x2,根據擬合曲線即可得到擬合時刻的真值數據.

可將以上處理看成如圖5的窗處理,不斷的改變x0值(相當于不斷移動窗口),即可得到所有錄取數據時標對應的真值點.

圖5 目標真值數據擬合

3.3 精度指標計算

對火控雷達和光電跟蹤精度的評估通過火控雷達和光電跟蹤測量目標距離d、方位角 β和高低角 γ的系統誤差和隨機誤差來衡量.以方位角 β為例,假設目標真值數據為[(t1,β01),(t2,β02),…,(tn,β0n)],報文數據為[ (t1,β1),(t2,β2),…,(tn,βn)],計算一次差:?βi=βi?β0i(i=1,2,3···,n).

系統誤差可表示為:

隨機誤差可表示為:

4 火控解算和武器系統的精度評估

火控解算精度和武器系統精度直接關系到戰斗車對目標的打擊精度,是評價火炮戰斗車火控系統性能優劣的重要指標之一,同樣也是火控系統精度分析的重要組成部分.其評估流程如圖6所示.

圖6 火控解算和武器系統評估流程

4.1 射表存儲

將彈道方程的數字解按照便于查找射擊諸元的格式形成的數字表格稱為射表.將試驗基地提供的射表采用Access 數據庫按照基本表和修正表分類存儲,使用時,可通過目標的距離和高度來確定射表中的彈道數據.

4.2 逆解諸元[12]

對火控解算和武器系統精度評估是在已知目標航路真值信息下進行,因此使用逆解法求解某時刻t的理想射擊諸元.

如圖7假設已知航路上一點A,記時刻tn,并記錄此刻目標真值的方位角 βn和炮目角 γn(火炮與目標連線和水平面的夾角).根據A點的水平距離、高度以及當前的氣象條件(氣溫、藥溫、空氣密度等)查修正表并使用拉格朗日三點插值法得到當前氣象條件到標準條件的方位、水平距離和高度的修正量.將水平距離、高度修正量累加到A點的水平距離和高度真值上,用p0表示累加后的點,根據p0的水平距離和高度查找基本表,在基本表中根據p0的距離和高度以最小均方差準則分別選取左右上下各3 個點共9 個點;經3 次拉格朗日三點插值得到p1,p2,p3三點的彈道數據,然后再根據p1,p2,p3三 點三次插值得到火炮位置目標點p0的彈丸飛行時間τn、高角? γn和偏流角 ?βn.令 βxn=βn+?βn,γxn=γn+?γn,Tn=tn+τn則 βxn和γxn即為Tn時刻的理想射擊諸元.如圖8所示.

圖7 逆解法示意圖

圖8 基本表數據的4 次三點插值示意圖

4.3 數據的插值處理

根據逆解法原理可以求出每個Tn時刻對應理想射擊諸元,而對于任意時刻ti理想射擊諸元可采用拉格朗日插值法得到,假設每個Tn時刻對應理想射擊諸元關系如表1所示.

表1 逆解法Tn 時刻對應數據表

已知y=f(x)過互不相同的n+1個 點(x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn),可構造過這n+1個點次數不超過n的多項式y=Pn(x)并滿足Pn(xk)=yk,k=0,1,2,···,n,要估計任一點ξ (ξ ≠xi,i=0,1,2,3,···,n),則可以用Pn(ξ)值作為準確值f(ξ)的近似值.

在平面有 (x0,y0),(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)共n+1 個點,做函數:

使Ln(x)經過這n+1個 點,Ln(x)即為拉格朗日插值多項式.對任意時刻ti,在表1中確定其位置后,從表中選取有關數據,代入式(9),即可確定任意時刻的理想諸元.

4.4 精度指標計算

對火控解算和武器系統的評估通過火控解算和武器系統方位角 β和高低角 γ的系統誤差和隨機誤差來衡量.以方位角 β為例,假設目標真值數據為[(t1,β01),(t2,β02),…,(tn,β0n)],報文數據為[(t1,β1),(t2,β2),…,(tn,βn)],計算一次差:

系統誤差可表示為:

隨機誤差可表示為:

5 設備的實現

5.1 硬件組成

一套完整評估設備的硬件包括定制專用計算機(含航插接口、千兆網口、RS232 串口、PCI-e 接口)、GPS 同步授時儀(含同步時鐘卡、天線)、雙絞線.設備使用時,通過雙絞線將專用計算機連接至火炮戰斗車的以太網交換機上,將GPS 同步時鐘卡以及GPS 天線連接至專用計算機.

5.2 軟件實現

軟件部分是整個綜合評估設備的核心,它需要采集報文并對報文進行處理,從需求分析可以看出,綜合評估設備的軟件部分需實現以下功能:

(1)對戰斗車各設備發送的報文進行解析與錄取存放,并將解析結果實時顯示.

(2)支持離線解析錄取的報文信息,即實現對報文的回放.

(3)支持對報文數據進行不同狀態查詢,支持設置查詢范圍.

(4)支持火控雷達、光電跟蹤設備的測量精度評估,火控解算系統解算精度評估,武器系統控制精度評估,并支持將評估結果顯示與導出.

軟件設計總體功能模塊如圖9所示.

圖9 軟件的總體功能模塊

數據錄取界面設計如圖10,頁面采用多標簽頁設計,分別顯示不同設備的狀態與數據信息;在綜合頁面顯示各設備與綜合評估設備的通信狀態、設備故障、設備工作方式以及設備的重要數據信息.這些設計,不僅方便了用戶快速掌握設備的重要信息還保證了對各設備信息顯示的完整性.

圖10 數據錄取頁面

某次試驗指揮儀-雷達過程回放如圖11所示,經與指揮臺數據對比,回放頁面正確顯示出各狀態信息和數據信息.在過程回放頁面用戶通過選擇設備標簽查看各單機設備信息,可以快速了解設備工作狀態,定位設備故障.在右側的回放控制中,可以逐幀回放也可以選擇不同速率回放.

圖11 某次試驗指揮儀-雷達的過程回放

在精度評估界面,可進行氣象數據、火炮參數、火炮相對于雷達光電中心坐標等參數的設置,通過不同的待評估報文和真值數據在設置參數的影響下生成評估文件并可對評估文件進行精度分析.評估的項目有雷達測距系統誤差和隨機誤差;雷達方位角、高低角、徑向速度的系統誤差和隨機誤差;火控解算、武器系統的方位角和高低角的系統誤差和隨機誤差;紅外、電視的方位角和高低角系統誤差和隨機誤差等.圖12為某次試驗數據精度評估數據輸出結果.

圖12 某次試驗精度評估結果

6 結束語

本文從理論上分析了火炮戰斗車火控系統精度評估的過程,闡述了各單機設備精度評估數學模型建立的過程以及具體的計算方法.通過對戰斗車單機設備通信特點以及試驗調試過程中實際需求的分析,本文設計并實現了戰斗車火控系統綜合評估設備,該設備方便了用戶在戰斗車試驗過程中對戰斗車各設備狀態的掌握.通過分析綜合評估設備計算出的精度數據,不僅可以準確的判斷各單機設備是否符合設計要求,還能綜合評價戰斗車火控系統的總體性能.目前,該設備已經應用于某型戰斗車的試驗調試階段,有效的縮短了試驗調試時間,提高了該型號戰斗車的生產效率.